0.   引言

渭河盆地北接鄂尔多斯地块，南依秦岭褶皱带，东为山西隆起带，西与六盘山弧形断裂带南段相接，为鄂尔多斯地块周缘新生代裂陷体系的重要组成部分，新生代以来，受区域构造影响，该区发生大幅度的沉陷，堆积了古近系、新近系及第四系沉积物(韩恒悦等, 2002; 王建强等, 2015).这些堆积记录了青藏高原隆升远程的构造效应、黄河及其支流的形成及演化过程(Rits, 2017). Shi et al. (2019)通过反演区域应力的演化研究了汾渭地堑系对中新世晚期以来青藏高原隆升的构造响应，结果显示，晚中新世（距今约10 Ma），盆地晚中新世-更新世初期为北西-南东向伸展，早更新世-晚更新世为北东-南西向伸展，晚更新世以来为北北西-南南东向伸展.由于伸展作用往往形成正断层，缺乏构造活动的测年材料，这一应力转换过程缺乏直接、确切的年代控制，导致对盆地演化过程认识不够准确.

盆地内沉积地层的沉积学和物源分析，可以指示盆地沉积环境的变化，从而反映出区域构造的演化过程(郭春涛等, 2018; 夏飞勇等, 2019).汾谓地堑系最北端的泥河湾盆地，中部的临汾盆地的沉积学和物源分析已表明地堑系内这些盆地演化过程与Shi et al. (2019)研究认为的区域应力相配套，并很好的指示了构造演化的转换时间. Liu et al. (2019)对三门峡盆地的黄底沟剖面和渭河盆地的宋家北沟剖面的上新世-更新世三门组沉积进行了沉积相划分，并对黄底沟剖面进行了物源分析，但由于研究剖面较少，特别是对区域水系演化和盆地连通更具有指示意义的下游的三门峡盆地仅有1个剖面，且缺乏渭河盆地宋家北沟剖面的物源分析的缺乏，无法进行两个盆地物源变化的对比研究，导致对区域环境及盆地演化的整体特征认识不够全面.因此，本文通过三门峡盆地三门村剖面三门组的沉积学分析和物源追踪，并补充渭河盆地宋家北沟物源分析，获取两个盆地沉积环境变化之间的差异和联系，全面认识渭河-三门峡盆地三门组的沉积特征及其记录的区域水系和盆地构造演化历史，从而探讨青藏高原隆升最新阶段的时间及其对汾渭地堑系演化的影响.

1.   地质背景

渭河盆地和三门峡盆地都是近东西向延伸的断陷盆地，主体受到近东西向和北东-南西走向的断层所控制（图 1a）.渭河盆地北缘为吕梁山和鄂尔多斯地块，主要出露古生代-中生代沉积岩；盆地南缘为北秦岭西部，主要出露大量中生代和少量前中生代花岗岩类及太古代和早元古代变质岩.三门峡盆地北缘为中条山，主要出露太古代变质岩和晚元古代-古生代沉积岩类；南缘为秦岭北缘东部，主要出露晚元古代沉积岩类.

图  1  研究区大地构造图（a）及区域地质背景图（b）

图 1b中剖面或钻孔与编号对应关系如下：1. CH3钻孔；2.宋家北沟剖面；3. W7钻孔；4.武家堡剖面；5.东坡沟剖面；6.望原剖面；7.黄底沟剖面；8.三门村剖面

Fig.  1.  Geotectonic map (a) and regional geological background (b) of the study area

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渭河盆地和三门峡盆地内均发育有著名的上新世-更新世河湖相三门组沉积，与泥河湾层时代(Deng et al., 2008)相当，是我国北方陆相地层的典型代表.然而，三门组地层在两个盆地中的岩性差异明显，渭河盆地沉积表现为“绿-黄”旋回，即下部为绿色粘土，上部为黄色砂质沉积(葛同明等, 1991; 胡巍等, 1993)，三门峡盆地沉积表现为“黄-绿-黄”的旋回，即下部为黄色砂砾石，上部为绿色砂泥质沉积，顶部再次转为黄色砂质沉积(王书兵等, 1999; 王斌等, 2013).

在古地磁(于清河等, 1982; 曹照垣, 1985; 葛同明等, 1991; 胡巍等, 1993; 王书兵, 1999; 傅建利, 2009)、光释光(胡巍等, 1993; 王书兵, 1999)、及古生物(袁凤钿, 1986; 王焯等, 2010)等年代学证据约束下，渭河盆地“绿-黄”和三门峡盆地“黄-绿”的转换界线都在2.8~2.6 Ma左右（图 2），三门峡盆地“绿-黄”转换的时间在1.0~1.2 Ma.为探究这一岩性转换所记录的沉积环境的变化，需进行细致的沉积相划分及物源重建研究，分析三门组不同沉积阶段的古环境和剥蚀区，进而揭示其构造指示意义.

图  2  渭河盆地和三门峡盆地不同剖面记录的三门组沉积对比

GPTS引自文献Gradstein et al.(2012); 渭河盆地各剖面的岩性及年代结果引自下列文献:CH3钻孔(于清河等, 1982); 宋家北沟剖面(胡巍等, 1993; Liu et al., 2019); W7钻孔和武家堡(葛同明等, 1991)；三门峡盆地各剖面的岩性及年代结果引自下列文献:东坡沟剖面(曹照垣, 1985); 望原剖面(傅建利, 2009)和黄底沟剖面(王书兵, 1999; Liu et al., 2019)

Fig.  2.  Sedimentary correlation of Sanmen Formation recorded in different sections of Weihe basin and Sanmenxia basin

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2.   研究剖面及研究方法

完整连续的剖面往往分布在盆地边缘和靠近河流下游的地区，详细的野外调查显示渭河盆地属于黄河中游支流水系，且盆地北侧相对抬升，出露剖面较少，仅有宋家北沟剖面出露完整，武家堡剖面由于近年基础设施建设、退耕还林等原因难以获取.宋家北沟剖面位于陕西省西安市以东，渭南市南侧，秦岭以北地区.剖面总厚度约为120 m，其地层年代主要依据古地磁年代学(胡巍等, 1993)获得. Liu et al. (2019)对其沉积相进行了细致划分，表明3.15 Ma以来至更新世晚期盆地经历了深湖-滨湖-河流相的演化（图 3）.由于剖面整体为粘土及砂质沉积，缺少砾石和能够指示古水流方向的沉积组构，故在三门组上、下段各采集砂岩1个进行重矿物分析，根据不同重矿物组合特征，反演沉积物源区的岩石组合特征，以此指示沉积物的物源区.将结果与黄底沟剖面的重矿物组合进行对比研究，分析在~2.6 Ma前后三门峡盆地与渭河盆地物源的异同.

图  3  三门峡盆地三门村剖面沉积学特征及其与黄底沟剖面（Liu et al., 2019）的对比

Fig.  3.  Sedimentological characteristics of Sanmencun section and its comparison with Huangdigou section(Liu et al., 2019)

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三门峡盆地出露剖面多不连续，仅有靠近盆地东侧的黄底沟剖面和三门村剖面较为完整，黄底沟剖面的沉积相及物源分析参见Liu et al. (2019)，本文选择三门村剖面进行沉积相和物源研究，以获得盆地演化的整体特征认识.三门村剖面位于三门峡水库以西2 km处的黄河边，黄底沟剖面南东3.5 km处（图 1b），与黄底沟剖面地层总体对比良好.因近几年平陆县至曹川镇公路修建过程中大量开挖，剖面露头较黄底沟清楚且较为连续，出露厚度100余米.通过野外露头剖面的地层岩性、颜色、沉积构造等组合特征，将地层进一步划分为不同的沉积相，获得不同沉积层位的沉积环境.野外测量叠瓦状砾石层的长轴方向、板状交错层理等沉积构造的产状，并统计其优势方向获得古水流方向，据此初步反演沉积物源区方向.结合黄底沟剖面的沉积相和物源分析，可以获得较为全面的三门峡盆地演化的整体认识.最后，将渭河盆地和三门峡盆地的沉积相变化特征，古水流、重矿物等指示的物源的演化特征进行对比，获得区域水系演化的全面认识.

3.   三门峡盆地沉积特征

通过岩石学特征和沉积相分析将三门村剖面划分为4个岩性段，分别编号Usm1~Usm4.对比黄底沟剖面划分的5个岩性段(Liu et al., 2019)（以下分别编号Uhd1~Uhd5）发现，黄底沟剖面Uhd2~Uhd3与三门村剖面Usm2相当，对应关系见图 3所示.

Usm1、Uhd1（5.0~2.8 Ma），该段沉积不整合覆盖在下伏新生代平陆群地层之上，该套沉积物以厚层砾石和砾石、砂、泥混杂堆积为主（图 3a），整个段落内都几乎无层理发育，含炭屑，向上颗粒有变细的趋势.黄底沟剖面Uhd1中有风成沉积物出现.以上特征共同表明，该段地层以冲洪积沉积为主，表现为进积型扇三角洲发育的征.叠瓦状砾石等沉积构造（图 3）指示该段总体的水流方向为由北向南，指示物源可能为北侧中条山.

Usm2、Uhd2~Uhd3（2.8~1.0 Ma），以厚层块状泥岩沉积为主，泥岩颜色偏深，为棕色、绿色等，偶含板状斜层理细-中砂岩及透镜状薄层细砾石或泥砾，该套沉积钙质含量丰富，总体指示浅湖沉积特征.该段中，黄底沟剖面上部及三门村剖面局部段落泥岩减少，砂质含量增多、加厚，局部发育薄层砾石层，颜色变浅（图 3b），斜层理增多，解释为滨湖相沉积.因此，总体上该段为滨-浅湖相沉积.板状斜层理等沉积构造指示该段总体的水流方向为由西向东，指示物源可能主体来自于西侧.

Usm3、Uhd4（1.8~1.0 Ma）第4段（1.0~0.15 Ma），为大套厚层砂岩，偶含薄层砾岩和泥岩，砂岩中发育大量板状斜层理、水平层理，偶见槽状交错层理、波纹层理，局部可见软弱层滑塌构造.整体来看，该段由多个沉积旋回构成，每一旋回均明显表现为由下部砾石、砂向上变细为粉砂、粘土的正粒序和二元结构特征，为河流相沉积（图 3c、3d）.板状斜层理、叠瓦状砾石层等沉积构造指示该段总体的水流方向为由西向东，或由北东至南西，指示物源可能主体来自于北西侧.

Usm4、Uhd5为风成马兰黄土沉积，厚度数米至数十米不等（图 3e）.淡灰黄色，疏松、无层理，部分层位分布零散的小颗粒钙质结核，局部见有碎屑岩沉积.

4.   渭河盆地和三门峡盆地物源对比分析

宋家北沟剖面的三门组上段（Usj1）和下段（Usj2）的砂岩重矿物分析结果如图 4所示. Usj1（2.6 Ma之前）的砂岩重矿物组合为金红石-锐钛矿-榍石-绿黝帘石-角闪石-辉石-磁铁矿-锆石. Usj2（2.6 Ma之后）的砂岩重矿物组合为磁铁矿-绿黝帘石-角闪石-白钛石-金红石-锐钛矿-锆石，结果显示上、下段的沉积物源均以酸性岩浆岩及变质岩为主(王成善和李祥辉, 2003)，但Usj1磷灰石、榍石含量明显较Usj2多，且Usj1中的岩浆锆石（浅粉色、分选性差）含量为90%，高于Usj2中的60%.以上结果表明，Usj1较Usj2可能具有更多的酸性岩浆岩物源.

图  4  宋家北沟剖面和黄底沟剖面重矿物(Liu et al., 2019)对比图

Fig.  4.  Comparison of heavy minerals in the Songjiabeigou section and Huangdigou section(modified from Liu et al., 2019)

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从重矿物成分来看，宋家北沟上、下两段物源都以酸性岩浆岩（花岗岩等）、变质岩为主，沉积岩含量很少.由于盆地南缘为北秦岭西部，主要出露大量中生代和前中生代花岗岩类及太古代和早元古代变质岩，北缘为鄂尔多斯地块，主要出露古生代-中生代沉积岩，含少量变质岩.因此说明华山和西秦岭一直都是重要物源供应区.但2.6 Ma以后，变质岩物源增加，同时伴有长距离搬运的老锆石增加，说明沉积物源更多的来自于古生代变质岩类，可能暗示秦岭或鄂尔多斯地块的抬升，剥蚀出了更古老的地层.

古水流统计结果显示，三门村剖面上新世（2.8~2.6 Ma以前）古水流主体由北西向南东，更新世以来（2.8~2.6 Ma以来）古水流主体由西向东.该结果总体上与黄底沟剖面古水流(Liu et al., 2019)一致，指示三门峡盆地的古水流在2.8~2.6 Ma之前主要来自于北侧中条山，之后则可能与西侧的渭河盆地古湖水的流入有关.重矿物分析显示三门峡盆地2.8~2.6 Ma之前以沉积岩为主（来自中条山），之后酸性岩浆岩物源的大量增多(Liu et al., 2019)（图 4）.由于渭河盆地的沉积物主要为酸性岩浆岩，因此，三门峡盆地酸性岩浆岩的增多可能与渭河盆地古湖水的流入有关，这一推测也与古水流方向的改变一致.

5.   讨论

5.1   三门峡盆地和渭河盆地沉积环境对比

沉积相分析结果表明，三门峡盆地三门村剖面河湖相地层由下至上可以划分冲洪积扇、滨-浅湖、河流相等三个阶段.这一结果与三门峡盆地黄底沟剖面沉积相结果(Liu et al., 2019)基本一致，三门峡盆地三门组表现为5.0~2.8 Ma扇三角洲，2.8~1.0 Ma滨-浅湖，1.8~1.0 Ma湖相，1.00~0.15 Ma河流相沉积.与此同时，渭河盆地宋家北沟剖面显示的3.15~2.60 Ma为深湖相沉积，2.6~1.5 Ma为浅湖相沉积(Liu et al., 2019)（见图 5）.结合上覆黄土及盆地现代地形地貌特征，三门峡盆地上新世以来沉积环境表现为由浅水-深水-浅水-湖盆消亡的演化过程，而渭河盆地表现为深水-浅水-湖盆消亡的演化过程.

图  5  渭河盆地宋家北沟剖面沉积相特征图（据Liu et al., 2019, 有修改）

Fig.  5.  Sedimentological characteristics of Songjiabeigou section in Weihe basin(modified from Liu et al., 2019)

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前人利用孢粉、介形虫等指标重建了渭河盆地的古环境认为，盆地2.7~2.6 Ma气温开始大幅下降(王焯等, 2010; 赵琳等, 2018)，古盐度恢复结果显示2.6 Ma左右，古湖由低盐度-半咸水转为低盐度水(刘护军等, 2006)，水体的淡化也指示沉积环境发生了改变.三门峡盆地的古环境重建结果表明，孢粉记录的2.8~2.2 Ma气候仍然以暖干为主，没有明显的温度变化(Wang et al., 2002).黄底沟剖面中部（三门组下部）的介形化石在2.8 Ma前后含量增加，且种属发生了明显变化(袁凤钿, 1986)，介形化石含量的增加也表明此时气候环境较好甚至还有好转，适宜生物繁衍，三门峡盆地未出现渭河盆地气温大幅度下降的特征.除气候外，湖盆的封闭性、古湖水的盐度、水深等都会影响流域孢粉组合及沉积物中介形虫的种类和数量(朱艳等, 2001; 张家武等, 2009).相邻的两个盆地，受控于同一气候背景，但重建结果却显示几乎同一时期温度却发生不同的变化，意味着将孢粉、介形等指标指示的环境变化归咎于古气候变化是不合理的.孢粉及介形化石数量、种属的变化，可能指示了沉积环境的其他特征（如:湖盆的封闭性、古盐度、水深等）发生了变化.综上所述，由于渭河盆地和三门峡盆地的地理位置相邻，二者受控于同一气候背景，不可能同一时期出现不同的气候变化特征，古生物和古盐度的重建结果显示的2.8~2.6 Ma渭河盆地和三门峡盆地的沉积环境的明显改变应该与盆地河湖演化导致的湖盆的封闭性、古盐度、水深等因素有关.

虽然渭河盆地与三门峡盆地三门组在2.8~2.6 Ma时都是湖相，但前者是由深湖相转为浅湖相，表明水位下降的过程，而后者是由河流相转为浅湖相，对应水位上升的过程.如果两个盆在这之前已经连通成为同一沉积系统，沉积序列的演化应该是一致的，即渭河盆地水位上升或下降时三门峡盆地也应该相应的上升或下降.而若是两个盆地的差异沉降，如三门峡盆地沉降速度较渭河盆地快，导致三门峡盆地水位升高和渭河盆地水位下降，三门峡盆地的沉积物源不会发生明显改变.因此，依据沉积物源的变化，可对2.8~2.6 Ma左右两个盆地沉积环境的变化的原因进行进一步揭示.

5.2   盆地演化过程及其构造意义

根据三门村剖面、黄底沟剖面、宋家北沟剖面的沉积相和物源分析结果，结合前人在渭河盆地和三门峡盆地的测制的多个剖面（钻孔），我们建立了一个东西走向、横穿渭河盆地和三门峡盆地的横剖面（图 2）.综合对比表明，渭河盆地在上新世主体为深湖相沉积，而在2.6 Ma前后发生明显的水体变浅过程.相反，三门峡盆地所有剖面指示沉积环境在2.8~2.6 Ma前后发生明显的水体变深过程.

黄河中游上新世与更新世早期古地貌恢复显示渭河盆地和三门峡盆地交界处的潼关一带东西两侧分别发育有沉积湖盆，中间为相对凸起的地貌(朱照宇, 1989)，且为河流相沉积(刘志武和周立发, 2015)，表明上新世时期渭河盆地和三门峡盆地中间存在隆起，两个湖盆可能没有直接连通.更新世渭河-三门峡盆地交界处出现了三角洲相和滨湖相，且固市凹陷出现明显扩张，其沉降中心向东延伸至华阴-潼关以北一带(刘志武和周立发, 2015)，此时隆起可能消失，两个盆地相互贯通，形成统一的三门古湖.这一认识与韩恒悦等(2002)认为的上新世渭河断陷带统一，早更新世断陷带内形成广阔的“三门湖”相一致.因此，渭河盆地在2.6 Ma前后发生了明显的水体变浅，而三门峡盆地所有剖面指示沉积环境在2.8~2.6 Ma前后发生了明显的水体变深，很可能表明两个盆地在2.6~2.8 Ma左右连通，湖水由渭河盆地注入了三门峡盆地.水力的作用将早期相对封闭的渭河盆地的湖水注入了三门峡盆地，导致渭河盆地在早更新世出现萎缩，由于黄河水系这时还未切穿三门峡（一般认为三门峡在早更新世至晚更新世晚期之间被切穿(潘保田等, 2005; Hu et al., 2012)，三门峡盆地成为“最终汇水区”，沉积了湖相地层.

Liu et al.(2019)提出的盆地演化模型相一致，即两个盆地在上新世、更新世分别受不同方向伸展作用的控制，其主控断层也不同.上新世时，受NW⁃SE走向伸展作用的影响，原先相对干涸的渭河盆地、三门峡盆地在新生代以来的盆地格局下再次发生断陷作用，由于渭河盆地是鄂尔多斯高原和秦岭的共同补给的“最终汇水区”，得以形成上新世大湖，而三门峡盆地由于补给较少，仅形成扇三角洲相沉积的小湖盆.早更新时，区域应力发生变化，以NE⁃SW向伸展为主，盆地内NW⁃SE或NWW⁃SEE走向的断层持续活动并在2.8~2.6 Ma前后联通两个盆地.更新世早期固市凹陷扩张（该凹陷主要受连接至华山北西侧的NWW⁃SEE走向的断层的控制）(刘志武和周立发, 2015)也证实了盆地NE⁃SW向的伸展.

青藏高原北东缘的新构造变形作用主要发育在中新世晚期（13~5/12~8 Ma）以来(Molnar, 2005; 张培震等, 2014)，并可能经历了多期次级强烈变形活动，对其周缘产生了重要影响.如前所述，三门峡盆地三门组的初始沉积、三门峡盆地与渭河盆地的连通与区域应力的变迁(Shi et al., 2019)是同时期的.这说明青藏高原向北东的挤出形成的阶段性构造作用可能是区域水系、盆地演化的主要控制因素.上新世早期盆地的初始沉积(~5 Ma或更早)和转换时间(~2.8~2.6 Ma)与鄂尔多斯地块周围许多与青藏高原快速隆升有关的地质事件相一致.如裂变径迹研究表明，鄂尔多斯地块周缘的华山、太白山和西缘的六盘山、贺兰山最显著的抬升开始于中新世晚期（12~7 Ma）以来，并持续至今(Liu et al., 2013).对红粘土的研究也表明，鄂尔多斯地块西南的六盘山广泛的风成堆积开始沉积于~8.1 Ma(Song et al., 2007)，之后又经历了2.6~2.5和1.7~1.6 Ma等构造事件(李吉均, 1996; 施雅风等, 1999).在汾渭地堑中，泥河湾盆地晚中新世~ 10~8 Ma、~2.8~2.6 Ma，~1.8 Ma沉积环境和源区发生了变化(Chen et al., 2015; Liu et al., 2018).临汾盆地由冲积扇/红粘土过渡到三角洲和湖相(约2.6 Ma)，然后过渡到河流或风积黄土(陈兴强等, 2016).这些鄂尔多斯地块周边不同区域的记录多数被解释为受到青藏高原快速隆升和向北东扩展的远程效应影响，且集中在中新世末-上新世初、早更新世初等时代.

物源分析显示的2.8~2.6 Ma之后两个盆地的秦岭物源的增多，表明秦岭此时出现了抬升.综上，盆地沉积相的变化和物源的改变均与前人研究认为的青藏高原的快速隆升不仅造成区域应力场的改变(Shi et al., 2019)，也引发了秦岭的阶段性抬升(Liu et al., 2013)相一致.因此，青藏高原从中新世晚期开始快速抬升(Peltzer et al., 1985; Tapponnier et al., 2001; Yin, 2010)导致高原东北缘区域应力方向的变化和伸展-走滑断裂的发展，成为渭河地区水系和盆地演化的主要触发因素，造成渭河盆地和三门峡盆地的三门组沉积表现出不同的沉积特征.

6.   结论

（1）三门村剖面显示上新世-更新世三门峡盆地经历了4个沉积阶段，分别为冲积扇（2.6~2.8 Ma以前）、滨-浅湖湘（2.6~2.8 Ma至1.0 Ma）、河流相、风成沉积（1.0 Ma以来）等.这与三门峡盆地黄底沟剖面记录的沉积演化阶段一致，但对比渭河盆地经历的深湖（3.15~2.60 Ma）-滨湖（2.6~1.5 Ma）-河流相（2.6~1.5 Ma）的演化过程，三门峡盆地上新世-更新世时水体变深的时期，正好对应渭河盆地水体变浅的时期.

（2）重矿物分析结果显示渭河盆地沉积物源主要为酸性岩浆岩、变质岩，三门峡盆地的沉积物源在2.8~2.6 Ma前后由沉积岩为主转为酸性岩浆岩和变质岩为主，2.8~2.6 Ma之后显示出了来自渭河盆地沉积物的特征.这与三门峡盆地沉积物显示的古水流方向2.8~2.6 Ma由北西-南东向转为近西-东向相一致，共同表明2.8~2.6 Ma渭河盆地和三门峡盆地连通.结合区域应力演化历史认为，受到伸展应力由NW⁃SE伸展向NE⁃SW伸展转化影响，区域水系连通的主控因素可能是10~6 Ma以来青藏高原向北东方向阶段性挤出.